喻紹鴻，張宏俊，王磊，郝麗萍，彭仕倫

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553000

0 引言

以太網(wǎng)最早是由美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)在20世紀(jì)80年代中期共同提出的，也被稱作是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是總線型結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都要通過相應(yīng)的硬件接口直接連接到一條公共的電纜上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)安裝一個(gè)網(wǎng)卡和收發(fā)器，需要接收總線上的串行信息，并將其轉(zhuǎn)換成并行信息發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，而并行信息會(huì)轉(zhuǎn)變成串行信息廣播發(fā)送到總線上。為了合理運(yùn)用這種標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)，科研學(xué)者對(duì)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和傳輸距離提出了明確要求，但對(duì)使用網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的要求存在差異。本文研究以工業(yè)以太網(wǎng)為例，重點(diǎn)分析仿真器于上位機(jī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信研究成果。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)意義上的以太網(wǎng)技術(shù)會(huì)運(yùn)用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)的機(jī)制，在突發(fā)性和間歇性的長(zhǎng)報(bào)文傳輸中具有良好表現(xiàn)，但這項(xiàng)機(jī)制從本質(zhì)上講具有非實(shí)時(shí)性和非明確性的特征。在節(jié)點(diǎn)數(shù)量持續(xù)增加、負(fù)載情況越發(fā)嚴(yán)重時(shí)，傳統(tǒng)意義上的以太網(wǎng)工作效率會(huì)持續(xù)下降，很難保障信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。根據(jù)實(shí)踐調(diào)查研究顯示，傳統(tǒng)以太網(wǎng)的有效帶寬應(yīng)用效率沒有超過40%，只能達(dá)到秒級(jí)實(shí)時(shí)性[1]。因此，工業(yè)以太網(wǎng)在研究時(shí)為了解決這一問題，選用了不同的技術(shù)原理，從實(shí)現(xiàn)方法來看，主要分為三種類型，其中可以達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)的就是C類工業(yè)以太網(wǎng)。結(jié)合如圖1所示的C類以太網(wǎng)從站結(jié)構(gòu)圖分析可知，其目的是為了達(dá)到更高的性能，因此引用了專用硬件進(jìn)行集成處理，這也是提高以太網(wǎng)性能的主要原因。同時(shí)，過程數(shù)據(jù)通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議站可以并行應(yīng)用，在數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)時(shí)軟件核中，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性實(shí)時(shí)性。

圖1 C類工業(yè)以太網(wǎng)從站的結(jié)構(gòu)圖

從當(dāng)前常見的四種工業(yè)以太網(wǎng)入手，經(jīng)過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)EtherCAT在拓?fù)潇`活性上要比其他標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)，在傳輸方式上選用了等時(shí)傳輸，在周期性實(shí)時(shí)報(bào)文的處理中要比其他協(xié)議更加有效。深入了解技術(shù)協(xié)議發(fā)現(xiàn)，其主要是利用主從介質(zhì)訪問控制方式，在系統(tǒng)中主站控制從站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。主站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，從站設(shè)備在報(bào)文中經(jīng)過其節(jié)點(diǎn)時(shí)讀取相關(guān)的編址數(shù)據(jù)，同時(shí)輸入數(shù)據(jù)也在報(bào)文經(jīng)過時(shí)插入到報(bào)文中。整個(gè)過程的報(bào)文只有十幾納秒的時(shí)間延遲，在經(jīng)過所有從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之后，會(huì)由EtherCAT網(wǎng)端中的末端從站返回報(bào)文[2]。

2 以太網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

從本質(zhì)上講，工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮選用材質(zhì)、產(chǎn)品強(qiáng)度、應(yīng)用適宜性等方面是否符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。在經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展趨勢(shì)下，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全面普及和革新發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的傳輸速率和交換技術(shù)得到了有效改善，為解決數(shù)據(jù)通信的非確定性問題提供了有效依據(jù)。由于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間存在較大差別，必須要充分滿足控制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，所以在快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展中，可以學(xué)者可以從中掌握更多有價(jià)值的研究成果。具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

首先，工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率從原本的10M和100M發(fā)展到現(xiàn)如今的1000M和實(shí)際，在數(shù)據(jù)吞吐量一致的條件下，通信速率的提升代表網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下降，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)減少，由此網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率會(huì)越來越?。黄浯?，利用新型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，讓交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為成多個(gè)網(wǎng)段。由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具備轉(zhuǎn)發(fā)和儲(chǔ)存等基本功能，所以各端口之間的輸入和輸出可以得到有效緩沖，不會(huì)再頻繁發(fā)生碰撞現(xiàn)象[3]。同時(shí)，交換機(jī)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾處理，讓每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸只限制在本地網(wǎng)段中，并不需要經(jīng)過主干網(wǎng)，也不會(huì)占用其他網(wǎng)段的帶寬，以此降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷；最后，全雙工通信可以讓端口之間的兩段雙絞線分別接收和發(fā)送報(bào)文幀，彼此之間不會(huì)出現(xiàn)沖突。將以太網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)控制領(lǐng)域中，需要重點(diǎn)考慮其抗干擾性問題是否符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境需求。比如說，美國Synergetic微系統(tǒng)公司、德國Hirschmann等公司專門設(shè)計(jì)開發(fā)生產(chǎn)了交換機(jī)產(chǎn)品和導(dǎo)軌式集線器，主要安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并進(jìn)行冗余電源供電，接插件要選用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)如今，以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用具有軟硬件產(chǎn)品豐富、通信速率高、實(shí)踐價(jià)格較低、應(yīng)用范圍較廣等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此可以應(yīng)用在工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的資源管理層和執(zhí)行制造層，并開始逐步向下延伸，未來科研學(xué)者將會(huì)繼續(xù)探討如何在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信中運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)。

3 仿真器與上位機(jī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信分析

通常來講，仿真測(cè)試是搭配上位機(jī)和下位機(jī)共同完成的，其中前者代表發(fā)出操作指令的計(jì)算機(jī)，會(huì)利用用戶操作交互界面向用戶呈現(xiàn)反饋數(shù)據(jù)，常見的設(shè)備有手機(jī)、電腦、觸摸屏等內(nèi)容；而后者是指接收上位機(jī)指令并控制外圍設(shè)備，將有關(guān)信號(hào)反饋給上位機(jī)[4]。在本文研究項(xiàng)目系統(tǒng)中，上位機(jī)代表個(gè)人電腦，下位機(jī)代表實(shí)施仿真器，其本質(zhì)上屬于安裝的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特種計(jì)算機(jī)。為了保障整體系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，上位機(jī)和下位機(jī)之間的有效通信非常關(guān)鍵，可以選擇的通信方式會(huì)受下位機(jī)影響，因此優(yōu)先選擇以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。

3.1 以太網(wǎng)通信

開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（OSI）是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的一種標(biāo)準(zhǔn)框架，主要是將多種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)連接到一起構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)框架，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

結(jié)合圖2分析可知，這一模型將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分成了以下內(nèi)容。

圖2 OSI模型的結(jié)構(gòu)圖

第一，應(yīng)用層（Application Layer）。管理通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒體之間的相互倡廉，要明確通信設(shè)備的功能和特性，以此建立維護(hù)和拆除物理鏈路連接。從實(shí)踐應(yīng)用角度來看，要結(jié)合機(jī)械特性明確網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)所有接插件的尺寸大小、具體數(shù)量、排列狀況等基本情況；要結(jié)合電氣特性明確在物理連接時(shí)，傳輸bit流時(shí)線路上信號(hào)電平的大小、速率、限制條件等；要結(jié)合功能特性合理運(yùn)用bit流時(shí)線路進(jìn)行傳輸，也就是指連接時(shí)的各項(xiàng)操作[5]。

第二，表示層（Presentation Layer）。這一層次主要是用于數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)加密、格式轉(zhuǎn)換等操作。會(huì)將需要交換的數(shù)據(jù)從適合某一用戶的抽象語法，轉(zhuǎn)變成適合OSI系統(tǒng)內(nèi)部使用的傳送語法，換句話說要提供格式化的表示和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)。

第三，會(huì)話層（Session Layer）。這一層次主要是用來創(chuàng)建管理和維護(hù)會(huì)話。在接收到傳輸層的數(shù)據(jù)之后，要重點(diǎn)建立管理和終止表示層實(shí)體之間的通信會(huì)話，確保彼此之間的數(shù)據(jù)交換具有安全性和有效性。從實(shí)踐應(yīng)用角度來看，這一層次的通信是由不同設(shè)備中的應(yīng)用程序之間的服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)構(gòu)成的。

第四，傳輸層（Transport Layer）。這一層次主要是用來數(shù)據(jù)通信。通過讓主機(jī)端到端之間進(jìn)行有效連接，可以被網(wǎng)絡(luò)層和會(huì)話層提供透明化的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保障數(shù)據(jù)信息可以安全完善的傳遞的網(wǎng)絡(luò)層。相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元也被看作是數(shù)據(jù)包，主要是負(fù)責(zé)獲取所有信息，因此必須要跟蹤數(shù)據(jù)單元碎片和亂序到達(dá)的數(shù)據(jù)包，明確在傳輸期間可能遇到的安全風(fēng)險(xiǎn)。常見的傳輸層協(xié)議有SPX、UDP、TCP等。

第五，網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）。這一層次主要是進(jìn)行IP選址和路由選擇。利用路由選擇算法可以為通信子網(wǎng)和報(bào)文提供適宜的路徑；有效控制數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)、構(gòu)建、維持和終止網(wǎng)絡(luò)的連接；數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)可以在這一層次轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包，而后將信息從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中[6]。

第六，數(shù)據(jù)鏈路層（DataLink Layer）。這一層次要提供介質(zhì)訪問和鏈路管理，接收源自物理層的位流形式的數(shù)據(jù)，并豐莊成真后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層；將網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)真差裝成慰留形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到物理層；用于管理節(jié)點(diǎn)之間建立鏈路，利用多樣化的控制協(xié)議，將存在錯(cuò)誤的物理性到轉(zhuǎn)變成可依靠且沒有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。從實(shí)踐應(yīng)用角度來看，這一層次具備流量控制、數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)成正、重新發(fā)送等基本功能。

第七，物理層（Physical Layer）。這一層次主要是為應(yīng)用程序或用戶請(qǐng)求提供多樣化的請(qǐng)求服務(wù)。物理層代表參考模型的最高層，最接近于系統(tǒng)用戶，因此既可以為他們提供不同的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)接口，又可以從基礎(chǔ)上保障OSI模型運(yùn)行的安全性。常見的應(yīng)用層協(xié)議包含了SNMP、HTTP、FTP等。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

根據(jù)事件研究顯示，以太網(wǎng)作為常見的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)，也是當(dāng)前最為普遍的局域網(wǎng)技術(shù)之一，結(jié)合IEEE組織提出的相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析可知，其明確了以太網(wǎng)物理層的連接、介質(zhì)訪問成協(xié)議、電子信號(hào)等多項(xiàng)內(nèi)容。在OSI模型當(dāng)中，以太網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在第一層物理層和第二層數(shù)據(jù)鏈路層中，會(huì)按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)層打包好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)幀，利用合理的物理層及其物理媒介與外界交互應(yīng)用[7]。

了解數(shù)據(jù)傳輸原理可知，上位機(jī)會(huì)向仿真器發(fā)送指令，Matlab/Simulink會(huì)配合上位機(jī)CPU完成不同層次的數(shù)據(jù)處理，而后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼并進(jìn)行加密處理，上位機(jī)網(wǎng)卡需要配合CPU完成各層次的數(shù)據(jù)打包，并轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)幀形式，在經(jīng)過網(wǎng)線將其傳輸?shù)椒抡嫫髦小６抡嫫鞯木W(wǎng)卡會(huì)在解析后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒抡嫫鰿PU中，CPU會(huì)配合Simulink Real Time Kernel解析數(shù)據(jù)信息，并在最終程序中有效執(zhí)行。仿真器向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的過程具有一致性。需要注意的是，這一過程，都是由上位機(jī)和仿真器內(nèi)部自動(dòng)完成的，并不需要進(jìn)行人為干涉，但在正式測(cè)試分析前，需要保障硬件連接具有規(guī)范性，相應(yīng)軟件可以保障兩者之間的有效通信。

從硬件連接角度來看，在本文研究項(xiàng)目中，仿真器擁有兩個(gè)網(wǎng)口，其中“Host Link”網(wǎng)口會(huì)和上位機(jī)進(jìn)行通信連接，接口種類為1000Base-T。按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析可知，可以選擇非屏蔽雙絞線和接口與上位機(jī)網(wǎng)口進(jìn)行有效連接。從以太網(wǎng)的地址配置角度來看，由于上位機(jī)和仿真器之間的數(shù)據(jù)通信可以看作是內(nèi)部局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以不管是上位機(jī)還是仿真器，都要在同一網(wǎng)段才能進(jìn)行有效通信，其中仿真器的IP地址可以直接在仿真器的顯示器中進(jìn)行有效查詢。而上位機(jī)會(huì)包含多個(gè)網(wǎng)卡，因此要配置與仿真器有效連接的網(wǎng)卡，具體IP地址可以在網(wǎng)絡(luò)共享中心的IP設(shè)計(jì)中修改[8]。

從內(nèi)核配置角度來看，在實(shí)施仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，仿真器的運(yùn)行軟件分為兩層，一方面是指實(shí)施應(yīng)用，另一方面是指實(shí)施內(nèi)核。前者是由開發(fā)者在上位機(jī)Simulink環(huán)境下搭建的模型，最終在仿真器中有效運(yùn)行，而后者是提供仿真器運(yùn)行所需的環(huán)境，為了保障兩者之間具有兼容性，兩者的內(nèi)核版本必須要具有一致性，相應(yīng)的內(nèi)核傳輸方式也會(huì)隨之改變。

以仿真器和上位機(jī)為核心的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信研究，從實(shí)踐應(yīng)用角度來看，具有以下技術(shù)特征。①實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的有效部署。在上位機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)相關(guān)軟件時(shí)，要將軟件安裝到仿真器中進(jìn)行有效測(cè)試，主要探討其是否具有實(shí)時(shí)性。②實(shí)時(shí)應(yīng)用控制。在實(shí)時(shí)應(yīng)用部署的仿真器之后，要利用上位機(jī)控制仿真器中的實(shí)時(shí)應(yīng)用，具體功能包含兩種，一種是指開始，另一種是指停止。③仿真器控制。結(jié)合上位機(jī)提出的指令可以有效控制仿真器，或更新仿真器內(nèi)部的實(shí)施內(nèi)核。④參數(shù)標(biāo)定。在實(shí)時(shí)應(yīng)用工作狀態(tài)下，可以利用上位機(jī)訪問或調(diào)整實(shí)時(shí)應(yīng)用當(dāng)中的各項(xiàng)參數(shù)。⑤數(shù)據(jù)記錄。在實(shí)施應(yīng)用過程中，仿真器可以經(jīng)過以太網(wǎng)向上位機(jī)傳輸目前的信號(hào)和參數(shù)，整體保障數(shù)據(jù)通信具有安全性和完善性。

4 結(jié)語

綜上所述，在研究中了解以太網(wǎng)技術(shù)和仿真器、上位機(jī)之間的關(guān)系，明確以太網(wǎng)通信在OSI模型中的映射和具體通信流程，有助于為現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)研究提供有效依據(jù)。因此，我國科研學(xué)者在重視以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信研究工作的同時(shí)要從現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和技術(shù)革新角度入手，加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)力度，學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)研究成果，將以太網(wǎng)逐漸滲透到人類生活和工作的方方面面，以此在全面推進(jìn)中成為全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢(shì)。同時(shí)，要明確以仿真器和上位機(jī)為核心的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信研究?jī)r(jià)值，注重結(jié)合以往累積經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)深層挖掘，從不同領(lǐng)域的發(fā)展需求入手，選擇適宜的仿真模擬方案，對(duì)比研究以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的功能特性，以此提高我國以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的發(fā)展水平。